第一章信号

第1章概论-1-第1章概论1.1数控技术的基本概念数控技术是综合了计算机、自动控制、电机、电气传动、测量、监控、机械制造等学科领域最新成果而形成的一门边缘科学技术。在现代机械制造领域中，数控技术已成为核心技术之一，是实现柔性制造（FlexibleManufacturing，FM）、计算机集成制造（ComputerIntegratedManufacturing，CIM）、工厂自动化（FactoryAutomation，FA）的重要基础技术之一。数控技术较早地应用于机床装备中，本书中的数控技术具体指机床数控技术。国家标准(GB8129—87)把机床数控技术定义为“用数字化信息对机床运动及其加工过程进行控制的一种方法”，简称数控(NumericalControl，NC)。1.1.1数控机床数控机床就是采用了数控技术的机床。国际信息处理联盟(internationalfederationofinformationprocessing)第五技术委员会对数控机床作了如下定义：“数控机床是一个装有程序控制系统的机床，该系统能够逻辑地处理具有使用代码，或其它符号编码指令规定的程序。”换言之，数控机床是一种采用计算机，利用数字信息进行控制的高效、能自动化加工的机床，它能够按照机床规定的数字化代码，把各种机械位移量、工艺参数、辅助功能(如刀具交换、冷却液开与关等)表示出来，经过数控系统的逻辑处理与运算，发出各种控制指令，实现要求的机械动作，自动完成零件加工任务。在被加工零件或加工工序变换时，它只需改变控制的指令程序就可以实现新的加工。所以，数控机床是一种灵活性很强、技术密集度及自动化程度很高的机电一体化加工设备。随着自动控制理论、电子技术、计算机技术、精密测量技术和机械制造技术的进一步发展，数控技术正向高速度、高精度、智能化、开放型以及高可靠性等方向迅速发展。1.1.2机床数控技术的组成机床数控技术由机床本体、数控系统和外围技术组成，如图1-1所示。图1-1数控技术的组成1．机床本体机床本体主要由床身、立柱、工作台、导轨等基础件和刀库、刀架等配套件组成。数控机床由于切削用量大、连续加工发热量大等因素，对加工精度有一定影响。数控加工是自动控制，不能像普通机床那样由人工进行调整、补偿。数控机床的主运动、进给运动都由单独机床数控技术机床本体数控系统外围技术基础件配套件数控装置伺服驱动装置测量反馈装置工具系统编程技术管理技术数控技术-2-的伺服电机驱动，所以传动链短、结构较简单。为保证数控机床的快速响应特性，数控机床普遍采用精密滚珠丝杠和直线滚动导轨副。为保证数控机床的高精度、高效率和高自动化加工，机械结构应具有较高的动态特性、动态刚度、抗变形性能、耐磨性。除此之外，数控机床还配备有冷却、自动排屑、对刀、测量等配套装置，以利于更大地发挥数控机床的功能。2．数控系统数控系统是一种程序控制系统，它能逻辑地处理输入到系统中的数控加工程序，控制数控机床运动并加工出零件。图1-2所示为数控系统的基本组成。它由输入输出装置、计算机数控（ComputerNumericalControl，CNC）装置、可编程控制器（ProgrammableLogicControl,PLC）、主轴伺服驱动装置和进给伺服驱动装置以及检测装置等组成。机床本体进给驱动装置主轴驱动装置辅助装置测量装置进给伺服单元主轴伺服单元电气回路计算机数控装置PLC输入/输出设备操作面板数控系统图1-2数控系统组成（1）CNC装置CNC装置是数控系统的核心。在一般的数控加工过程中，首先启动CNC装置，在CNC内部控制软件的作用下，通过输入装置或输入接口读入零件的数控加工程序，并存放到CNC装置的程序存储器内。开始加工时，在控制软件作用下，将数控加工程序从存储器中读出，按程序段进行处理，先进行译码处理，将零件数控加工程序转换成计算机能处理的内部形式，将程序段的内容分成位置数据和控制指令，并存放到相应的存储区域，最后根据数据和指令的性质进行各种流程处理，完成数控加工的各项功能。输入装置可以通过多种方式获得数控加工程序，早期数控机床，通过读取穿孔纸带上的信息获得编写好的数控加工程序；目前可以通过MDI（ManualDataInput）方式直接从键盘输入和编辑数控加工程序，更多地是通过软驱、USB接口、RS232C接口等获得数控加工程序。有些高档的数控装置本身就包含一套自动编程系统或CAD／CAM系统，只需键盘输入相应的零件几何信息和加工信息，就能生成数控加工程序。CNC装置通过编译和执行内存中的数控加工程序来实现多种功能。CNC装置一般具有以下基本功能：坐标控制（XYZAB代码）功能、主轴转速（S代码）功能、准备功能（G代码）、辅助功能（M代码）、刀具（T代码）功能、进给（F代码）功能，以及插补功能、自诊断功能等。有些功能可以根据机床的特点和用途进行选择，如固定循环功能、刀具半径补偿功能、通信功能、特殊的准备功能（G代码）、人机对话编程功能、图形显示功能等。不同类型、不同档次的数控机床，其CNC装置的功能有很大的不同。CNC系统制造厂商或供应商会向用户提供详细的CNC功能和各功能的具体说明书。详细内容将在后续各章介绍。（2）伺服驱动装置伺服驱动装置又称伺服系统，它是CNC装置和机床本体的联系环节，它把来自CNC装置的微弱指令信号通过调解、转换、放大后驱动伺服电机，通过执行部件驱动机床运动，使工作台精确定位或使刀具与工件按规定的轨迹作相对运动，最后加工出符合图纸要求的零件。数控机床的伺服驱动装置分为主轴驱动单元（主要是转速控制）、进给驱动单元（包括第1章概论-3-位移和速度控制）、回转工作台和刀库伺服控制装置以及它们相应的伺服电机等。伺服系统分为步进电机伺服系统、直流伺服系统、交流伺服系统、直线伺服系统。步进电机伺服系统比较简单，价格又低廉，所以在经济型数控车床、数控铣床、数控线切割中仍有使用；直流伺服系统从20世纪70年代到80年代中期，在数控机床上获得了广泛的应用。但由于直流伺服系统使用机械（电刷、换向器）换向，维护工作量大。20世纪80年代后，由于交流伺服电机的材料、结构、控制理论和方法均有突破性的进展，电力电子器件的发展又为控制方法的实现创造了条件，使得交流伺服电机驱动装置发展很快，目前正在取代直流伺服系统。该系统的最大优点是电机结构简单、不需要维护、适合于在恶劣环境下工作。此外，交流伺服电机还具有动态响应好、转速高和容量大等优点。当今，在交流伺服系统中，除了驱动级外，电流环、速度环和位置环可以全部采用数字化控制。伺服系统的控制模型、数控功能、静动态补偿、前馈控制、最优控制、自学习功能等均由微处理器及其控制软件高速实时地实现，使得其性能更加优越，已达到和超过直流伺服系统。直线伺服系统是一种新型高速、高精度的伺服机构，已开始在数控机床中使用。（3）测量反馈装置测量反馈装置主要用于闭环和半闭环系统。检测装置检测出实际的位移量，反馈给CNC装置中的比较器，与CNC装置发出的指令信号比较，如果有差值，就发出运动控制信号，控制数控机床移动部件向消除该差值的方向移动。不断比较指令信号与反馈信号，然后进行控制，直到差值为0，运动停止。常用检测装置有旋转变压器、编码器、感应同步器、光栅、磁栅、霍尔检测元件等。（4）可编程控制器在数控系统中除了进行轮廓轨迹控制和点位控制外，还应控制一些开关量，如主轴的启动与停止、冷却液的开与关、刀具的更换、工作台的夹紧与松开等，主要由可编程控制器来完成。3．外围技术外围技术主要包括工具系统（主要指刀具系统）、编程技术和管理技术。1.1.3数控机床的特点数控机床是一种高效、新型的自动化机床，具有广泛的应用前景。它与普通机床相比具有以下特点：1．适应性、灵活性好数控机床由于采用数控加工程序控制，当加工零件改变时，只要改变数控加工程序，便可实现对新零件的自动化加工，因此能适应当前市场竞争中对产品不断更新换代的要求，解决了多品种、单件小批量生产的自动化问题。满足飞机、汽车、造船、动力设备、国防军工等制造部门复杂形状零件和型面零件的加工需要。2．精度高、质量稳定数控机床是按照预定的程序自动加工，不需要人工干预，这就消除了操作者人为产生的失误或误差；数控机床本身的刚度高、精度好，并且精度保持性较好，这更有利于零件加工质量的稳定；还可以利用软件进行误差补偿和校正，也使数控加工具有较高的精度。3．生产效率高数控机床的进给运动和多数主运动都采用无级调速，且调速范围大，可选择合理的切削速度和进给速度；可以进行在线检测，避免数控机床加工中的停机时间；可采用自动换刀、自动交换工作台，减少了换刀时间；加工同时可以进行工件装卸，并且一次装夹可实现多面和多工序加工，减少工件装夹、对刀等辅助时间；数控加工工序集中，可减少零件周转时间。因此，数控加工生产率较高，一般零件可以高出3~4倍，复杂零件可提高十几倍甚至几十倍。4．劳动强度低、劳动条件好数控机床的操作者一般只需装卸零件、更换刀具、利用数控技术-4-操作面板控制机床的自动加工，不需要进行繁杂的重复性手工操作，因此劳动强度可大为减轻。此外，数控机床一般都具有较好的安全防护、自动排屑、自动冷却和自动润滑装置，操作者的劳动条件可得到很大改善。5．有利于现代化生产与管理采用数控机床加工能方便、精确计算零件的加工时间，能精确计算生产和加工费用，有利于生产过程的科学管理和信息化管理。数控机床是DNC、FMS、CIMS等先进制造系统的基础，便于制造系统的集成。6．使用、维护技术要求高数控机床是综合多学科、新技术的产物，机床价格高，设备一次性投资大，相应地，机床的操作和维护要求较高。因此，为保证数控加工的综合经济效益，要求机床的使用者和维修人员应具有较高的专业素质。1.2数控机床的分类数控机床的品种规格繁多，分类方法不一。根据数控机床的功能、结构、组成不同，可从控制方式、伺服系统类型、功能水平、工艺方法、数控装置几个方面进行分类，如表1-1所示。表1-1数控机床的分类分类方法数控机床类型按运动控制方式分类点位控制数控机床直线控制数控机床轮廓控制数控机床按伺服系统控制方式分类开环数控系统半闭环数控系统闭环数控系统按功能水平分类经济型数控机床中档型数控机床高档型数控机床按工艺方法分类金属切削数控机床金属成形数控机床特种加工数控机床按数控装置分类硬线数控软线数控1.2.1按运动控制方式分类根据数控机床运动控制方式的不同，可将数控机床分成点位控制、直线控制和轮廓控制三种类型，如图1-3所示。③②①AA刀具工件(a)点位控制方式(b)直线控制方式XYZ刀具工件(c)轮廓控制方式图1-3数控系统的运动控制方式1．点位控制数控机床第1章概论-5-一些孔加工数控机床，如数控钻床、数控冲床等，数控系统只控制刀具从一点到另一点的准确定位，从一个孔到另一个孔的移动轨迹则无严格要求。在机床移动部件的移动过程中，不进行切削加工。具有这种运动控制的机床称为点位控制数控机床。2．直线控制数控机床直线控制数控机床不仅要求控制点到点的精确定位，而且要求机床工作台或刀具（刀架）以给定的进给速度，沿平行于坐标轴的方向或与坐标轴成45°角的方向进行直线移动和切削加工。目前具有这种运动控制的数控机床很少。3．轮廓控制数控机床对一些数控机床，如数控铣床、加工中心等，要求能够对两个或两个以上运动坐标的位移和速度同时进行连续相关的控制，使刀具与工件间的相对运动符合工件加工轮廓要求。具有这种运动控制的机床称为轮廓控制数控机床。该类机床在加工过程中，每时每刻都对各坐标的位移和速度进行严格的不间断的控制。对于轮廓控制数控机床，根据同时控制坐标轴的数目可分为两轴联动、两轴半联动、三轴联动、四轴和五轴联动。两轴联动同时控制两个坐标轴实现二维直线、圆弧、曲线的轨迹控制。两轴半联动除了控制两个坐标轴联动外，还同时控制第三坐标轴作周期性进给运动，可以实现简单曲面的轨迹控制。三轴联动同时控制X、Y、Z三个直线坐标轴联动，实现曲面的轨迹控制。四轴或五轴联动除了控制X、Y、Z三个直线坐标轴外，还能同时控制一个或两个回转坐标轴，如工作台的旋